(57)【要約】【課題】作りやすさ、コスト、測定精度等に優れた構造の分流式流量センサ装置を提供する。【解決手段】主流路とバイパス流路を備え、バイパス流路に熱式流量センサ２１１が配置されている。主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュール１１と、バイパス流路を形成し、主流路モジュール１１の開口部を塞ぐバイパス流路モジュール１２，２１とを備え、主流路モジュール１１は、バイパス流路モジュールの入口１２１よりも上流側に整流手段１４を備えている。バイパス流路モジュール１２，２１は、表面実装部品である熱式流量センサ２１１が実装された基板２１を有し、基板２１の表面に検出対象の気体が流れる第１溝部２１ａが形成され、熱式流量センサ２１１は、第１溝部２１ａを跨ぐように、かつ、その検出面が第１溝部２１ａに臨むように、基板２１の表面に実装されている。【選択図】図４
2005300365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流路及びバイパス流路を備え、前記バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置であって、
前記主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュールと、
前記バイパス流路を形成し、前記主流路モジュールの開口部を塞ぐバイパス流路モジュールとを備え、
前記主流路モジュールは、前記バイパス流路モジュールの入口よりも上流側に整流手段を備え、
前記バイパス流路モジュールは、表面実装部品である前記熱式流量センサが実装された基板を有し、前記基板の表面に検出対象の気体が流れる第１溝部が形成され、前記熱式流量センサは、前記第１溝部を跨ぐように、かつ、その検出面が前記第１溝部に臨むように、前記基板の表面に実装されていることを特徴とする分流式流量センサ装置。
【請求項２】
前記バイパス流路モジュールは、前記基板の表面に密着すると共に前記熱式流量センサを逃げる凹部が設けられた当接面を備え、前記基板の表面に形成された第１溝部が前記バイパス流路の途中部分を形成していることを特徴とする
請求項１記載の分流式流量センサ装置。
【請求項３】
前記第１溝部と並列に前記バイパス流路の途中部分を形成する第２溝部が前記基板の表面に形成されていることを特徴とする
請求項２記載の分流式流量センサ装置。
【請求項４】
前記第２溝部は、前記第１溝部の両側に１本ずつ形成されていることを特徴とする
請求項３記載の分流式流量センサ装置。
【請求項５】
主流路及びバイパス流路を備え、前記バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置であって、
前記主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュールと、
前記バイパス流路を形成し、前記主流路モジュールの開口部を塞ぐバイパス流路モジュールとを備え、
前記主流路モジュールは、前記バイパス流路モジュールの入口よりも上流側に整流手段を備え、
前記バイパス流路モジュールは、表面実装部品である前記熱式流量センサが実装された基板を有し、
前記熱式流量センサは、その検出面に検出対象の気体が流れる溝部が形成されると共に流量検出用の電線が前記溝部に架設された構造を有し、前記検出面が前記基板の表面に当接するように実装されていることを特徴とする分流式流量センサ装置。
【請求項６】
主流路及びバイパス流路を備え、前記バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置であって、
前記主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュールと、
前記バイパス流路を形成し、前記主流路モジュールの開口部を塞ぐバイパス流路モジュールとを備え、
前記主流路モジュールは、前記バイパス流路モジュールの入口よりも上流側に整流手段を備え、
前記バイパス流路モジュールは、表面実装部品である前記熱式流量センサが実装された基板を有し、
前記熱式流量センサは、その検出面が前記基板の表面に対向し、かつ、前記検出面と前記基板の表面との間に検出対象の気体が流れる空間が形成されるように浮かせた状態で前記基板に実装されていることを特徴とする分流式流量センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流路及びバイパス流路を備え、バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体の流量を測定するための流量センサとして、熱式流量センサと呼称されているものがある。これは、白金線のような検出用電線を気体の流れに晒し、検出用電線に電流を流したときに生ずる発熱が気体の流れによって冷却される度合いを検出することによって気体の流量を測定するものである。
【０００３】
近年、半導体製造技術の進展に伴い、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる加工技術を用いて数ミリ角のシリコンチップ上に検出用電線としての白金薄膜を形成した小型の熱式流量センサ（半導体チップ）が開発され、使用されている。このような熱式流量センサを基板に実装するに際して、いわゆるフェイスダウン実装と呼称される実装方法がある（例えば特許文献１参照）。これは、熱式流量センサの検出面（検出用電線が形成された面）を基板の表面に向けて固定し、このときに熱式流量センサの検出面に設けられた接続用電極と基板側の接続用電極（半田付けランド）とを直接半田付け接続する。
【０００４】
つまり、表面実装部品である熱式流量センサを半田リフローによって基板に直接半田付けすることにより、ワイヤーボンディングを省略する実装方法である。なお、基板の表面と熱式流量センサの検出面との間に気体が流れる空間を確保するために、基板の表面又は熱式流量センサの検出面（又はその両方）に溝を形成する必要がある。あるいは、基板の表面から熱式流量センサを浮かせた状態で固定する必要がある。
【０００５】
また、流量測定の対象となる装置又は設備における気体の配管の途中に挿入されるようにして使用される流量センサ装置も実用化されている。これは、配管の途中に挿入される短い管路と管路内に配置された熱式流量センサと検出回路等を一体化した装置である。
【０００６】
上記のような小形の熱式流量センサを用いた流量センサ装置では、気体の流量が大きくなると流路内の気流が乱れ、測定精度が低下する傾向がある。そこで、気体の流路を主流路とバイパス流路とに分け、バイパス流路に熱式流量センサを配置し、バイパス流路を流れる一部の流量から全体の流量を推定する方法が考えられる。つまり、主流路とバイパス流路との分流比から全体の流量を推定することができる。
【特許文献１】特開２００３−３２９５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような主流路及びバイパス流路を備え、バイパス流路に熱式流量センサが配置された流量センサ装置（これを分流式流量センサ装置という）は、半導体チップで構成された小形の熱式流量センサを用いながら、大流量の測定に対応することができる。このような流量センサ装置の具体的な構造ついては、作りやすさ、コスト、測定精度等を総合的に評価して決定し、設計する必要がある。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑み、作りやすさ、コスト、測定精度等に優れた構造の分流式流量センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による分流式流量センサ装置の第１の構成は、主流路及びバイパス流路を備え、バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置において、主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュールと、バイパス流路を形成し、主流路モジュールの開口部を塞ぐバイパス流路モジュールとを備え、主流路モジュールは、バイパス流路モジュールの入口よりも上流側に整流手段を備え、バイパス流路モジュールは、表面実装部品である熱式流量センサが実装された基板を有し、基板の表面に検出対象の気体が流れる第１溝部が形成され、熱式流量センサは、第１溝部を跨ぐように、かつ、その検出面が第１溝部に臨むように、基板の表面に実装されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、バイパス流路を１つのモジュールとしたことにより、分流式流量センサ装置の組み立てが容易となり、装置のコスト低減に寄与する。装置のメンテナンス性も改善される。また、主流路モジュールの上流側（バイパス流路モジュールの入口よりも上流側）に備えられた整流手段によって、分流前の主流路における径方向の流量分布、つまり流路断面内の流量分布が均一になり、測定精度が向上する。更に、表面実装部品である熱式流量センサをいわゆるフェイスダウン実装によって基板への固定及び電気接続を行うので、ワイヤーボンディングによって電気接続を行う場合に比べて作業性が改善されると共に、狭いバイパス流路におけるボンディングワイヤの絶縁等の必要がない。
【００１１】
本発明による分流式流量センサ装置の第２の構成は、上記第１の構成において、バイパス流路モジュールは、基板の表面に密着すると共に熱式流量センサを逃げる凹部が設けられた当接面を備え、基板の表面に形成された第１溝部がバイパス流路の途中部分を形成していることを特徴とする。このような構成によれれば、基板の表面に形成された第１溝部の断面積が実質的にバイパス流路の流量を決定する。したがって、主流路とバイパス流路との分流比を大きくして大流量の検出に対応することができると共に、熱式流量センサの近傍で流路を絞る構成によって流量の測定精度を高めることができる。
【００１２】
本発明による分流式流量センサ装置の第３の構成は、上記第２の構成において、第１溝部と並列にバイパス流路の途中部分を形成する第２溝部が基板の表面に形成されていることを特徴とする。第１溝部の断面積（幅）は熱式流量センサの大きさ（チップサイズ）によって制限されるので、熱式流量センサの近傍での気体の流速が速くなりすぎる場合が考えられる。このような場合に、第１溝部と並列にバイパス流路の途中部分を形成する第２溝部を設けることによって、熱式流量センサの近傍での気体の流速を下げ、検出精度を高めることができる。
【００１３】
本発明による分流式流量センサ装置の第４の構成は、上記第３の構成において、第２溝部が、第１溝部の両側に１本ずつ形成されていることを特徴とする。このような構成によれば、バイパス流路を流れる気体が３本の溝部に分かれて流れ、その中央に位置する第１溝部を流れる気体によって流量が測定されるので、気流の分布が良好になり更に測定精度の向上が期待できる。
【００１４】
以上の構成では、気体が流れる溝が基板側に形成されているが、同様の溝を熱式流量センサ側に形成する構成（第５の構成）、熱式流量センサを基板から浮かせて実装する構成（第６の構成）も可能である。
【００１５】
すなわち、本発明による分流式流量センサ装置の第５の構成は、主流路及びバイパス流路を備え、バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置において、主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュールと、バイパス流路を形成し、主流路モジュールの開口部を塞ぐバイパス流路モジュールとを備え、主流路モジュールは、バイパス流路モジュールの入口よりも上流側に整流手段を備え、バイパス流路モジュールは、表面実装部品である熱式流量センサが実装された基板を有し、熱式流量センサは、その検出面に検出対象の気体が流れる溝部が形成されると共に流量検出用の電線が溝部に架設された構造を有し、検出面が基板の表面に当接するように実装されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による分流式流量センサ装置の第６の構成は、主流路及びバイパス流路を備え、バイパス流路に熱式流量センサが配置された分流式流量センサ装置において、主流路を形成し、その側面に開口部を有する主流路モジュールと、バイパス流路を形成し、主流路モジュールの開口部を塞ぐバイパス流路モジュールとを備え、主流路モジュールは、バイパス流路モジュールの入口よりも上流側に整流手段を備え、バイパス流路モジュールは、表面実装部品である熱式流量センサが実装された基板を有し、熱式流量センサは、その検出面が基板の表面に対向し、かつ、検出面と基板の表面との間に検出対象の気体が流れる空間が形成されるように浮かせた状態で基板に実装されていることを特徴とする。
【００１７】
これら第５及び第６の構成にあっても、前述の第１の構成による効果と同様の効果を奏することができる。つまり、バイパス流路を１つのモジュールとしたことによる組み立て性及びメンテナンス性の改善、そして装置のコスト低減が可能になると共に、整流手段による測定精度の向上、熱式流量センサのフェイスダウン実装による組立作業性の改善、絶縁の容易さ等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置の全体構成を示す外観図である。本実施例の分流式流量センサ装置は、ヘッド部３１とアンプ部３２が電気ケーブル２７で接続された構成を有する。アンプ部３２は更に電気ケーブル１０を介して外部機器（図示せず）に接続することができる。
【００２０】
図２は、本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の外観を示す斜視図である。また、図３は分流式流量センサ装置のヘッド部の分解図であり、図４は分流式流量センサ装置のヘッド部の主要部断面図である。この分流式流量センサ装置は、金属製の略円筒状の主流路部材（主流路モジュール）１１と、その側面（図３等では上面）に形成された開口部に挿入されるバイパス流路モジュールを備えている。バイパス流路モジュールは、樹脂製又は金属製のバイパス流路部材１２と流量センサ基板２１で構成されている。主流路部材１１の側面開口部とバイパス流路部材１２との間には、バイパスパッキン１３が介装されている。また、詳しくは後述するが、基板パッキン２２によって主流路部材１１（主流路モジュール）の側面開口部とバイパス流路モジュールとの封止（気密性の確保）が成されている。
【００２１】
この分流式流量センサ装置は、略円筒状の主流路部材１１の両端部を流量測定対象の装置や設備における気体の管路に挿入して使用される。主流路部材（主流路モジュール）１１は気体の主流路を構成し、バイパス流路モジュール（バイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１）は主流路から分流して流れる気体のバイパス流路を構成する。図４において、主流路を気体が流れる様子を太い矢印線で示し、バイパス流路を気体が流れる様子を細い矢印線で示している。
【００２２】
主流路部材１１の上流側部分（バイパス流路モジュールの入口よりも上流側）には、複数のメッシュ板１４１とスペーサ１４２を交互に重ねた構造の整流手段１４が装着されている。図示の例では、６枚のメッシュ板１４１と５枚のスペーサ１４２が交互に重ねられて整流手段１４が構成されている。一例として、各メッシュ板１４１は厚み０．１ｍｍの円板状の金属板に直径約０．２ｍｍの小孔が多数形成されたものであり、各スペーサ１４２は厚み１．０ｍｍの金属製の円環状部材である。
【００２３】
整流手段１４は、図４に示すように、主流路部材１１の上流側内壁面に設けられた段部１１１に押し当てられ、メッシュロック１５を用いて固定されている。メッシュロック１５は、円環状部材の外周に雄螺子が形成されたものであり、主流路部材１１の段部１１１より上流側の内壁面に形成された雌螺子と螺合するようにねじ込まれる。整流手段１４は、分流前の主流路における径方向の流量分布、つまり流路断面内の流量分布を均一にする働きを有する。この働きの詳細については後述する。
【００２４】
主流路部材１１の下流側部分には、測定レンジ調整部材１６及びメッシュフィルタ１７が装着されている。測定レンジ調整部材１６は、略円筒形の部材であり、一端側に鍔部１６１を有する。図４に示すように、主流路部材１１の下流側内壁面に形成された段部１１２に、Ｏリング（オーリング）１８を挟むようにして測定レンジ調整部材１６の鍔部が押し当てられ、測定レンジ調整部材１６の円筒形部分が主流路部材１１の下流側円筒形部分に挿入される。測定レンジ調整部材１６の円筒形部分の外径と、主流路部材１１の下流側円筒形部分の内径はほぼ等しく、両者の隙間ができるだけ小さいことが望ましい。
【００２５】
測定レンジ調整部材１６の鍔部１６１の外側端面にメッシュフィルタ１７の外周部を挟むようにしてメッシュロック１９がねじ込まれ、これによって測定レンジ調整部材１６及びメッシュフィルタ１７が固定されている。メッシュロック１９は、上述のメッシュロック１５と同様に、円環状部材の外周に雄螺子が形成されたものであり、主流路部材１１の段部１１２より下流側の内壁面に形成された雌螺子と螺合するようにねじ込まれる。
【００２６】
メッシュフィルタ１７は、下流側の管路から気体が逆流したときに気体中の異物（ごみ）が分流式流量センサ装置の内部に入り込むのを防止するために設けられている。また、測定レンジ調整部材１６は、主流路の断面積を変えることによって測定レンジを変更することを容易にするために使用される。したがって、この測定レンジ調整部材１６が装着される場合と装着されない場合がある。
【００２７】
図５は、バイパス流路部材１２の斜視図である。図６はバイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１で構成されるバイパス流路モジュールの断面図である。バイパス流路部材１２は、主流路部材１１の側面開口部を封止するように装着されたときに、主流路の断面の略中央部に位置するバイパス流路の入口１２１及び出口１２２を備えている。また、バイパス流路部材１２の上面には入口１２１に連通する長方形の入口側開口１２３と出口１２２に連通する長方形の出口側開口１２４が形成されている。入口側開口１２３と出口側開口１２４との中間部分に後述する熱式流量センサ２１１を逃げるための凹部１２５が設けられている。
【００２８】
図３及び図４に示すように、バイパス流路部材１２の上面には、流量センサ基板２１が被せられ、基板パッキン２２を挟んで流量センサ基板２１が主流路部材１１に固定される。バイパス流路部材１２の上面に形成された入口側開口１２３及び出口側開口１２４は流量センサ基板２１に形成された溝部（図７に示す第１溝部）と連通している。その結果、図６に示すように、入口１２１から出口１２２に至るバイパス流路Ｂ１〜Ｂ５が形成されている。なお、図６において、バイパス流路を気体が流れる様子を矢印線で示している。
【００２９】
図７は、主流路部材１１及びバイパス流路部材１２の側面に取り付けられる流量センサ基板２１とそれに実装された熱式流量センサ２１１を示す斜視図である。また、図８は、主流路部材１１の側面にバイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１が取り付けられた状態を示す断面図である。なお、図７では、流量センサ基板２１の下面が見えるように流量センサ基板２１を傾けて描いている。
【００３０】
図７から分かるように、流量センサ基板２１の表面（下面）には３本の溝部が形成されている。中央の溝部を第１溝部２１ａと呼称し、その両側の溝部を第２溝部２１ｂと呼称することにする。そして、中央の第１溝部２１ａを跨ぐように熱式流量センサ２１１が実装されている。熱式流量センサ２１１は表面実装部品であり、その検出面（流量検出用の白金薄膜が形成された面）が第１溝部２１ａに臨む状態で、半田リフロー工程によって流量センサ基板２１に直接電気接続されると共に固定される。
【００３１】
流量センサ基板２１が主流路部材１１の上面に固定されたとき、図６及び図８に示すように、バイパス流路部材１２の上面は流量センサ基板２１の下面に密着し、流量センサ基板２１の下面から突出する熱式流量センサ２１１はバイパス流路部材１２の上面に形成された凹部１２５に収容される。この状態で、第１溝部２１ａ及び第２溝部２１ｂのそれぞれの上流側はバイパス流路部材１２の上面に形成された入口側開口１２３に連通し、下流側は出口側開口１２４に連通している。これにより、第１溝部２１ａ及び第２溝部２１ｂがバイパス流路の途中部分を形成している。
【００３２】
なお、第２溝部２１ｂは必須ではなく、第１溝部２１ａのみを設けた構成も可能である。第２溝部２１ｂは第１溝部２１ａのバイパス的な役割を担う。つまり、第１溝部の断面積（幅）は熱式流量センサ２１１の大きさによって制限されるので、熱式流量センサ２１１の近傍での気体の流速が速くなりすぎる場合が考えられる。このような場合に、第１溝部２１ａと並列にバイパス流路の途中部分を形成する第２溝部２１ｂを設けることによって、熱式流量センサ２１１の近傍での気体の流速を下げ、検出精度を高めることができる。
【００３３】
また、本実施例ではバイパス流路の途中部分を形成する溝部を流量センサ基板２１に設けているが、この溝部を熱式流量センサ２１１に設ける構成も可能である。この場合の熱式流量センサ２１１は、検出用の電線（白金線）が溝部に架設された構造のものを用いることになる。もちろん、熱式流量センサ２１１と流量センサ基板２１の両方にバイパス流路の途中部分を形成する溝部を設けるようにしてもよい。
【００３４】
更に別の変形例として、熱式流量センサ２１１を流量センサ基板２１から浮かせて実装することにより、熱式流量センサ２１１の検出面と流量センサ基板２１の表面との間に検出対象の気体が流れる空間（バイパス流路の途中部分）が形成されるように構成してもよい。熱式流量センサ２１１を流量センサ基板２１から浮かせて実装する方法として、例えば両者の間にスペーサを介装する方法等、公知の種々の方法を利用することができる。
【００３５】
図９は、主流路部材１１の側面開口部にバイパス流路部材１２が装着され、その上に流量センサ基板２１が取り付けられる様子を示す斜視図である。図４の断面図に良く示されているように、基板パッキン２２は、主流路部材１１の側面（上面）開口部の周囲に設けられた段部とバイパス流路部材１２の上端部外周面とで形成される溝にはめ込まれる。４本の固定螺子２３と下基板ホルダ２８５によって流量センサ基板２１が主流路部材１１の上面に締め付けられると、基板パッキン２２が変形して主流路部材１１の側面開口部とバイパス流路部材１２の側面と流量センサ基板２１の下面とが同時に封止される。流量センサ基板２１等の取り付け構造については後で説明を加える。
【００３６】
前述のように、バイパス流路の入口１２１は主流路の断面の略中央部に位置する（図４参照）。これにより、気流の乱れが発生しやすい管路の壁面付近ではなく、比較的安定した気流となる中央部の気体をバイパス流路の入口１２１からバイパス流路へ導くことができる。その結果、バイパス流路を流れ込む気体の流量が安定しやすく、熱式流量センサ２１１による流量測定の安定性が向上する。
【００３７】
また、図４及び図６から分かるように、バイパス流路の入口１２１を構成するバイパス流路部材１２の先端部は上流側へ突出し、入口１２１の周辺部１２１ａが球面状に形成されている。つまり、主流路（の気体の流れ）に沿って流線形となるように形成されている。これにより、主流路中に配置されたバイパス流路の入口１２１の周辺部１２１ａに起因する主流路の気流の乱れが低減される。主流路の気流が乱れれば、熱式流量センサ２１１が配置されたバイパス流路の気流に影響が出るので、主流路の気流の乱れを抑えることが重要である。同様の理由により、バイパス流路の出口１２２を構成するバイパス流路部材１２の後端部は下流側へ突出し、出口１２２の周辺部１２２ａも球面状（流線形）に形成されている。
【００３８】
図３に示すように、分流式流量センサ装置のヘッド部とアンプ部との電気接続のための電気ケーブル２７が上下のケーブルブッシュ２７１，２７２と２本の固定螺子（図示を省略）を用いて主流路部材１１の上面に固定されている。分流式流量センサ装置のヘッド部及びアンプ部の電気回路の構成については後述する。また、流量センサ基板２１の上には、ヘッド部の電気回路を構成するプリント基板が内蔵された上ケースユニット２８が被せられている。
【００３９】
図１０は、上ケースユニット２８及び流量センサ基板２１の分解図である。また、図１１は、分流式流量センサ装置のヘッド部の上ケースユニットを含む内部構造を示す断面図である。上ケースユニット２８は、樹脂製の上ケース２８１と、その内部に収容される表示基板２８２、メイン基板２８３、上基板ホルダ２８４及び下基板ホルダ２８５を含んでいる。図３にも示されているように、上ケースユニット２８（上ケース２８１）の上面には、２種類のＬＥＤ表示２８ａ及び２８ｂが備えられている。第１のＬＥＤ表示２８ａは、アンプ部からの制御によってオン・オフされるＬＥＤ表示であり、現在の流量があらかじめ設定した流量より多いか少ないかを表示する。第２のＬＥＤ表示２８ｂは、４個のＬＥＤ（発光ダイオード）を順番に点灯させることにより気体が流れている様子を表す。流量に応じてＬＥＤを順番に点灯させる速度（周期）を変化させることにより、流量が視覚的に分かるような表示である。表示基板２８２には、第１のＬＥＤ表示２８ａに対応するＬＥＤ２８２ａと第２のＬＥＤ表示２８ｂに対応する４個のＬＥＤ２８２ｂが実装されている。
【００４０】
メイン基板２８３には、熱式流量センサ２１１の出力信号の処理回路、上記のＬＥＤ表示２８ａ及び２８ｂの駆動回路、アンプ部との通信のための回路、電源回路等の回路部品が実装されている。メイン基板２８３は、基板間コネクタ２８３ａを介して表示基板２８２と上下一体に接続され、これらの基板２８２，２８３は樹脂製の上基板ホルダ２８４に固定される。上基板ホルダ２８４の下面の前後の端部には下方に突出した係合突起部２８４ａが設けられ、これらに係合する係合部２８５ａが下基板ホルダ２８５の前後の端部に形成されている。前後一対の係合突起部２８４ａと係合部２８５ａが係合することによって、上基板ホルダ２８４と下基板ホルダ２８５は一体に結合される。
【００４１】
樹脂製の下基板ホルダ２８５は、強度を高めるために、水平板部と両側の側板部２８５ｂからなる断面Ｈ形状の構造を有する。バイパス流路を流れる気体の圧力によって流量センサ基板２１が撓むのを防止するために、下基板ホルダ２８５の下面が流量センサ基板２１の上面に接触した状態で、図９に示したように下基板ホルダ２８５が主流路部材１１の側面開口部に螺子止めされる。下基板ホルダ２８５の強度を高めるための断面形状はＨ形状に限らず、例えば断面コ形状（Ｕ形状）としてもよい。十分な強度を確保できる金属で下基板ホルダ２８５を作る場合は側板部２８５ｂを省いた水平板部のみの形状としてもよい。
【００４２】
また、側板部２８５ｂは、上ケースユニット２８の両側壁の一部を兼ねている。すなわち、図１０に示すように、上ケース２８１の両側面の比較的広い面積に矩形の切欠き２８１ａが形成され、この切欠き２８１ａに下基板ホルダ２８５の側板部２８５ｂが嵌り込み、上ケース２８１の側面と下基板ホルダ２８５の側板部２８５ｂの表面が面一になるように構成されている。そして、下基板ホルダ２８５の側板部２８５ｂを含む上ケースユニット２８の側面全体に樹脂シート（図示を省略）が貼られる。このような構造により、各基板２８２，２８３の面積を最大限確保しながら上ケースユニット２８の幅を小さくすることができる。
【００４３】
図１１から分かるように、アンプ部との電気接続のための電気ケーブル２７は、メイン基板２８３に接続されている。そして、メイン基板２８３と流量センサ基板２１とが基板間コネクタ２１ｃによって電気的に接続されている。図１０から分かるように、上基板ホルダ２８４及び下基板ホルダ２８５のそれぞれの中央部に、基板間コネクタ２１ｃを挿通させる貫通孔２８４ｂ，２８５ｃが形成されている。
【００４４】
上ケース２８１の両側面の下端部には計４箇所の係合孔２８１ｂが形成されており、これらに対応する係合突起１１ａが主流路部材１１の上部側面に形成されている。４対の係合孔２８１ｂ及び係合突起１１ａを互いに係合させることにより、上ケース２８１が主流路部材１１の上部に固定される。
【００４５】
図１２は、ヘッド部の電気回路の構成を示すブロック図である。また、図１３はヘッド部に接続されるアンプ部の電気回路の構成を示すブロック図である。前述のヘッド部３１とアンプ部３２との電気接続のための電気ケーブル２７には、４本の電線、すなわちヘッド電源ライン、アナログ信号／通信線、ヘッド表示信号／通信線、及びグランド（ＧＮＤ）ラインが含まれている。アナログ信号／通信線は、ヘッド部３１で検出された流量に相当する電圧信号（アナログ信号）をアンプ部３２に送るための信号線路とディジタル通信線路とを兼ねている。また、ヘッド表示信号／通信線は、アンプ部３２からヘッド部３１のＬＥＤ表示のオン・オフを制御するための信号線路とディジタル通信線路とを兼ねている。
【００４６】
ヘッド部３１は、前述の熱式流量センサ２１１、その出力信号の処理回路である一対のブリッジ回路３１１と差動増幅回路３１２、Ｖ−Ｆ変換回路３１３、前述の第１及び第２のＬＥＤ表示２８ａ，２８ｂに対応する複数のＬＥＤを含むＬＥＤ表示回路３１４、電気的にデータ書き換え可能なメモリ素子であるＥＥＰＲＯＭ３１５、２個のアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂ、電源回路３１７及び２個の電圧検出回路３１８Ａ，３１８Ｂを備えている。
【００４７】
熱式流量センサ２１１は、白金薄膜で構成されたヒータ抵抗３０１と温度補償抵抗３０２を二組備え、それぞれの組が上流側と下流側とに離間して配置されている。上流側及び下流側のヒータ抵抗３０１に一定の電流を流したときに、気流が無い場合は両者の発熱による温度に差が無いが、気体の流量が多くなるにつれて、上流側のヒータ抵抗３０１が下流側のヒータ抵抗３０１に比べて冷却されて温度が下がる度合いが大きくなる。
【００４８】
したがって、両者の温度差から気体の流量が検出できる。実際には、本実施例の熱式流量センサ２１１では、上流側及び下流側のヒータ抵抗３０１が共に設定温度（抵抗値）になるように、一対のブリッジ回路３１１によってそれぞれのヒータ抵抗３０１に電流が供給される。そして、上流側及び下流側のヒータ抵抗３０１の電流の差（電圧の差）が差動増幅回路３１２で増幅され、得られた出力電圧が気体の流量に相当する検出信号となる。なお、各ヒータ抵抗３０１と組になっている温度補償抵抗３０２は、周囲温度の変化を補償するための抵抗である。
【００４９】
差動増幅回路３１２の出力電圧（流量に相当する検出信号）は、アナログスイッチ３１６Ａを通ってアナログ信号／通信線でアンプ部３２へ送られると共に、Ｖ−Ｆ変換回路３１３に与えられる。Ｖ−Ｆ変換回路３１３は、入力された流量に相当する電圧信号を周波数（周期）信号に変換し、変換後の信号をＬＥＤ表示回路３１４に与える。この信号に基づいて、ＬＥＤ表示回路３１４は前述の第２のＬＥＤ表示２８ｂを構成する４個のＬＥＤを与えられた周期で順番に点灯させる。このようにして、流量が多いほど短い周期で（速い速度で）、４個のＬＥＤが順番に繰り返し点灯する。
【００５０】
また、ＬＥＤ表示回路３１４に含まれる第１のＬＥＤ表示２８ａを構成するＬＥＤは、アンプ部３２からの制御信号によって点灯又は消灯される。すなわち、アンプ部３２からの制御信号がヘッド表示信号／通信線を通してヘッド部３１に与えられ、この制御信号はアナログスイッチ３１６Ｂを通って電圧検出回路３１８Ｂに与えられる。そして、電圧検出回路３１８Ｂの出力信号がＬＥＤ表示回路３１４に与えられている。なお、この信号は、上記の第２のＬＥＤ表示２８ｂのオン・オフ制御にも使用される。例えば、流量が所定値以下であるとアンプ部３２が判断したときは、アンプ部３２からヘッド部に与えられる制御信号によって第１のＬＥＤ表示２８ａがオフになると共に、流れ表示を行う第２のＬＥＤ表示２８ｂもオフになる。
【００５１】
また、ＥＥＰＲＯＭ３１５は、ヘッド部の固有（識別）データや特性データの記憶に使用され、アンプ部３２からの通信制御によって、その記憶データの読み出し及び書き込みが行われる。このとき、アナログ信号／通信線とヘッド表示信号／通信線が２本の通信ラインとして使用される。また、２個のアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂのオン・オフは、アンプ部３２からヘッド部３１の電源回路３１７にヘッド電源ラインを通して与えられる電源電圧によって制御することができる。このために、アンプ部３２から供給される電源電圧を電圧検出回路３１８Ａに入力し、その出力電圧がアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂの制御端子に与えられている。
【００５２】
アンプ部３２は、状態表示ＬＥＤ３２１、キースイッチ３２２、電源回路３２３、Ａ／Ｄ変換回路３２４、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）３２５、ヘッド表示制御回路３２６、ＥＥＰＲＯＭ３２７、入力回路３２８、アナログ出力回路３２９及び制御出力回路３３０を備えている。マイクロプロセッサ３２５は、アンプ部３２の全体の制御を司ると共に、前述の第１のＬＥＤ表示２８ａを制御するための信号をヘッド表示制御回路３２６（を介してヘッド部３１）に与える。また、ヘッド部３１からアナログ信号／通信線を通して送られる差動増幅回路３１２の出力電圧（流量に相当する検出信号）は、Ａ／Ｄ変換回路３２４でディジタル値に変換された後、マイクロプロセッサ３２５に入力される。
【００５３】
状態表示ＬＥＤ３２１は、ヘッド部３１及びアンプ部３２を含む分流式流量センサ装置の動作状態を表示する。キースイッチ３２２は、第１のＬＥＤ表示２８ａの点灯／消灯の制御のための基準流量値やその他の動作条件の設定に使用される。例えば、設定された基準流量値より検出流量値が大きい場合に第１のＬＥＤ表示２８ａを点灯させ、それ以外では消灯させるように制御される。電源回路３２３は、アンプ部３２を構成する各部に電源電圧を供給すると共に、ヘッド部３１にヘッド電源ラインを通して電源電圧を供給する。そして、前述のようにヘッド部３１のアナログ信号／通信線とヘッド表示信号／通信線に挿入された２個のアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂのオン・オフを制御するために、マイクロプロセッサ３２５から電源回路３２３にヘッド電圧制御信号が与えられる。電源回路３２３は、このヘッド電圧制御信号にしたがってヘッド電源ラインに供給する電圧を切り替える。
【００５４】
ＥＥＰＲＯＭ３２７は、各種設定値や制御用データの記憶に使用される。その記憶データは、外部機器（例えば上位コントローラ）から入力回路３２８を介してマイクロプロセッサ３２５に入力されるデータによって書き換えることができるようにしてもよい。また、検出された流量値は、マイクロプロセッサ３２５からアナログ出力回路３２９を介して外部機器へ出力することができる。更に、制御出力回路３３０を介してマイクロプロセッサ３２５からの制御信号を外部機器へ出力するための２つの出力ポートが備えられている。例えば、前述のヘッド部及びアンプ部のＬＥＤ表示に対応する（連動する）オン・オフ出力を外部に出力する。２つの出力ポートを用いて４通り（２ビット）のデータを出力することができる。
【００５５】
次に、主流路に設けられた整流手段１４の効果について説明を加える。前述のように、整流手段１４は、主として分流前の主流路における径方向の流量分布、つまり流路断面内の流量分布を均一にする働きを有する。特に、分流式流量センサ装置の上流側に接続される管路の形状がＬ字状に曲がっている場合に、主流路の上流側端部における流路断面内の流量分布が不均一になりやすい。この場合、主流路の壁面に沿って流れる気流が多くなり、流路断面内の中央付近を流れる気流が少なくなる傾向がある。その結果、入口１２１からバイパス流路に流れ込む気流が減少し、流量の測定結果が実際より少なめに検出される傾向がある。整流手段１４の働きによって、このような傾向が抑制され、又は緩和される。
【００５６】
図１４は、オフセット流量に関する整流手段１４の効果を示すグラフである。横軸は実際の流量（リットル／分）を表し、縦軸はオフセット流量（リットル／分）を表している。ここでいうオフセット流量は、上述のように主流路の上流側にＬ字状に曲がっている管路を接続して気体を流したときに、実際の流量と検出流量（少なめに検出される）との差を意味する。曲線４１は整流手段１４を装着しなかったときの測定値をプロットしたものであり、曲線４２は整流手段１４を装着したときの測定値をプロットしたものである。
【００５７】
曲線４１から分かるように、整流手段１４を装着しなかったときは、流量が増加するに伴ってオフセット流量も増加し、流量１００リットル／分では実際の流量より約２０リットル／分少なめに検出された。これに対して整流手段１４を装着したときは、曲線４２に示すように、流量が増加してもごくわずかのオフセット流量を維持し、流量１００リットル／分での実際の流量と検出流量との差は２リットル／分未満であった。
【００５８】
図１５は、ノイズレベルに関する整流手段１４の効果を示すグラフである。横軸は実際の流量（リットル／分）を表し、縦軸はノイズレベル（±リットル／分）を表している。ここでいうノイズレベルは、図１２に示した差動増幅回路３１２の出力電圧（ＤＣ電圧）に重畳されたＡＣ電圧成分を流量に換算したものである。ＡＣ電圧成分は主として気流の乱れによって発生する。ある程度の時間における平均値で測定流量を求めればＡＣ電圧成分（ノイズ）を除くことができるが、その場合は測定値が決定するまでに時間を要するので、いわゆる応答性が悪くなる。また、平均化するためのハードウェア（積分回路）又はソフトウェア処理が必要となる。図１５において、曲線４３は整流手段１４を装着しないときの測定値をプロットしたものである。曲線４４は、整流手段１４を装着したときの測定値をプロットしたものである。曲線４３と曲線４４を比較すれば、ノイズレベルに関しても整流手段１４の効果がかなり大きいことが分かる。
【００５９】
次に、バイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１によって構成されるバイパスモジュールの詳細な実施例及び変形例について説明を加える。バイパス流路部材１２は樹脂のような絶縁体で作製されるが、アルミニウム等の金属ブロックを切削加工して作製してもよい。また、バイパス流路部材１２を樹脂の射出成形によって作製する場合は、細部の形状に関して後述するようないくつかの点を考慮することが好ましい。
【００６０】
図６等から分かるように、バイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１によって構成されるバイパス流路は、直線的に延びる直管部と直角に曲がる屈曲部との組合せで構成されている。すなわち、バイパス流路は、入口１２１から主流路に沿って（横方向へ）延びる第１直管部Ｂ１から第１屈曲部を経て上方に向かう第２直管部Ｂ２となり、第２屈曲部を経て再び主流路に沿って延びる第３直管部Ｂ３となる。更に第３屈曲部を経て下方に向かう第４直管部Ｂ４となり、第４屈曲部を経て再び主流路に沿って延びる第５直管部Ｂ５となり出口１２２に至る。但し、上記のようなバイパス流路の構成に限るわけではなく、適宜変更可能である。直管部及び屈曲部の数を増やしてもよい。屈曲部を必ずしも直角に曲げる必要はなく鈍角に曲げてもよいし、円弧状に（Ｒを付けて）曲げてもよい。
【００６１】
上記のバイパス流路の途中部分である第３直管路Ｂ３は、前述のように、本実施例では流量センサ基板２１に設けた第１溝部２１ａ（及び第２溝部２１ｂ）によって形成されている。この第３直管路Ｂ３は断面が長方形である。第２直管部Ｂ２及び第４直管部Ｂ４の上半分は、入口側開口１２３及び出口側開口１２４と同じ長方形の断面を有する。これに対して、第２直管部Ｂ２及び第４直管部Ｂ４の下半分と第１直管部Ｂ１及び第５直管部Ｂ５の断面は円形である。但し、これらの断面形状は一例であって、楕円形、長円形、矩形等、任意の断面形状を採用してよい。
【００６２】
樹脂の射出成形によってバイパス流路部材１２を作製する場合に、例えば第１直管部Ｂ１の断面を円形とするのであれば、第２直管部Ｂ２の断面は長円形又は矩形とすることが好ましい。つまり、射出成形で使用される金型において、第１直管部Ｂ１を形成するスライドピンと第２直管部Ｂ２を形成するスライドピンが共に円形断面である場合は、両者の突き合わせ部分の加工が難しい。加工精度が悪い場合は突き合わせ部分でバリが生じやすくなる。そこで、第１直管部Ｂ１を円形とする場合は、第２直管部Ｂ２の断面は長円形又は矩形とする。
【００６３】
より詳しく言えば、図６において第２直管部Ｂ２の管壁のうち少なくとも左側部分に平面部を設けることによって、第１直管部Ｂ１を形成するスライドピンの先端形状を平面とすることができる。これにより、金型（スライドピン）の加工が容易になると共に、樹脂成形品であるバイパス流路部材１２に形成されたバイパス流路内にバリが生ずることを回避することができる。なお、金属ブロックの切削加工によってバイパス流路部材１２を作製する場合は、第１直管部Ｂ１の断面及び第２直管部Ｂ２の断面を共に円形としても問題ない。第５直管部Ｂ５と第４直管部Ｂ４との関係についても、上記の第１直管部Ｂ１と第２直管部Ｂ２との関係と同様のことが言える。
【００６４】
樹脂の射出成形によってバイパス流路部材１２を作製する場合の他の留意点として、射出成形におけるいわゆるヒケを防止するために、肉厚部を抉る肉盗みを設けてもよい。例えば、図６において、第２直管部Ｂ２と第４直管部Ｂ４との間に側面又は下面からブロックを刳りぬくような凹部（肉盗み）を設けてもよい。
【００６５】
以上、本発明の実施例を説明し、その変形例についても適宜説明したが、本発明は上記の実施例や変形例に限らず、種々の形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置の全体構成を示す外観図である。
【図２】本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の分解図である。
【図４】分流式流量センサ装置のヘッド部の主要部断面図である。
【図５】バイパス流路部材の斜視図である。
【図６】バイパス流路部材及び流量センサ基板で構成されるバイパス流路モジュールの断面図である。
【図７】主流路部材及びバイパス流路部材の側面に取り付けられる流量センサ基板とそれに実装された熱式流量センサを示す斜視図である。
【図８】主流路部材の側面にバイパス流路部材及び流量センサ基板が取り付けられた状態を示す断面図である。
【図９】主流路部材及びバイパス流路部材の側面に取り付けられる流量センサ基板の固定方法を示す斜視図である。
【図１０】上ケースユニット及び流量センサ基板の分解図である。
【図１１】分流式流量センサ装置のヘッド部の上ケースユニットを含む内部構造を示す断面図である。
【図１２】分流式流量センサ装置のヘッド部の電気回路の構成を示すブロック図である。
【図１３】ヘッド部に接続されるアンプ部の電気回路の構成を示すブロック図である。
【図１４】オフセット流量に関する整流手段の効果を示すグラフである。
【図１５】ノイズレベルに関する整流手段及び整流手段の効果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１１  主流路部材（主流路モジュール）
１２  バイパス流路部材（バイパス流路モジュール）
１４  整流手段
２１  流量センサ基板（バイパス流路モジュール）
２１ａ  第１溝部
２１ｂ  第２溝部
１２１  バイパス流路モジュールの入口
１２５  凹部
２１１  熱式流量センサ
【図１】
2005300365.tif 000003
【図２】
2005300365.tif 000004
【図３】
2005300365.tif 000005
【図４】
2005300365.tif 000006
【図５】
2005300365.tif 000007
【図６】
2005300365.tif 000008
【図７】
2005300365.tif 000009
【図８】
2005300365.tif 000010
【図９】
2005300365.tif 000011
【図１０】
2005300365.tif 000012
【図１１】
2005300365.tif 000013
【図１２】
2005300365.tif 000014
【図１３】
2005300365.tif 000015
【図１４】
2005300365.tif 000016
【図１５】
2005300365.tif 000017